Estabilidad y Degradación Química de Polímeros

Las dos causas principales de degradación química de polímeros son la fotooxidación y la hidrólisis. La fotooxidación conduce inicialmente a la formación de grupos hidroperóxido (ROOH) reactivos en el polímero. Las reacciones químicas subsecuentes pueden romper cadenas o formar nuevos enlaces. Con el tiempo, la formación de enlaces provoca gelificación, resquebrajamiento y, finalmente, la rotura bajo tensiones térmicas o mecánicas.

Así, un polímero ideal para resistir la intemperie debe estar compuesto solo de estructuras químicas que cumplan los siguientes criterios:

• Ser invulnerables a la hidrólisis bajo condiciones de exposición.
• Ser transparentes a la radiación UV y a la luz visible de longitudes de onda terrestre (290 a 800 nm) para evitar la absorción de energía que inicie la fotooxidación.
• No contener ningún enlace químico que pueda romperse por la energía lumínica que probablemente reciba el polímero.

En la práctica, estos criterios no son satisfechos completamente por ninguno de los polímeros cuyas propiedades son adecuadas para utilizarlos como recubrimientos de intemperie. Los mejores candidatos para recubrimientos son los polímeros acrílicos, poliuretanos, siliconas y fluoropolímeros diseñados específicamente.

Los más empleados son los acrílicos porque su tecnología está más desarrollada. Los acrílicos basados en ésteres del ácido metacrílico son muy resistentes a la hidrólisis. Recientemente, los barnices de poliuretano están adquiriendo mucha importancia como recubrimientos para intemperie.

Utilización de Barnices y Recubrimientos

Los barnices basados en acrilatos, epoxi y uretanos son más resistentes al desgaste que la mayoría de los recubrimientos, pero se degradan durante un período de tiempo (a veces solo unos meses y otras veces unos años) cuando son expuestos a ciclos de temperatura, humedad y radiación ultravioleta a los que las superficies exteriores están sometidas.

Los barnices basados en uretanos y epoxi forman recubrimientos brillantes, transparentes y resistentes al agua, pero están sujetos a una degradación ultravioleta bastante rápida. Algunos barnices especiales se formulan con cantidades altas (entre 3 a 5 % en peso) de absorbente ultravioleta y se venden a un precio elevado. Incluso con concentraciones altas de absorbente ultravioleta, estos barnices se degradan en presencia de radiación ultravioleta durante varios meses. Aún no se ha encontrado una solución definitiva a la degradación de barnices en ambientes severos, como el marino o la intemperie extrema.

Estrategias de Estabilización y Adición de Aditivos

Adición de Aditivos Químicos

Se suelen agregar absorbentes de UV o quenchers a la mayoría de los recubrimientos de materiales orgánicos si se espera que sean expuestos a la radiación ultravioleta. Los aditivos más usuales son:

• Absorbentes de la radiación ultravioleta o quenchers.
• Antioxidantes estables a la radiación ultravioleta.

Los primeros incluyen derivados de hidroxibenzofenona y 2-hidroxibenzotriazol, y los últimos incluyen derivados de aminas impedidas (HALS).

Estabilizadores Inmovilizados

La resistencia fotoquímica de polímeros puede ser mejorada grandemente usando fotoestabilizadores injertados covalentemente en la matriz polimérica.

Utilización de Materiales Inorgánicos

Una composición de recubrimiento capaz de proteger selectivamente de la luz ultravioleta se obtiene cubriendo óxido de cinc con óxido hidratado de silicio en una cantidad en peso de por lo menos 5-30 %.

Otro método es emplear medios de coloración que simultáneamente sirvan de filtro ultravioleta, como el teñido usando partículas ultrafinas de metal precioso, un nuevo método desarrollado recientemente.

Aplicación: Protección de Maderas

Las estrategias más adecuadas para proteger la madera dependen del sistema en concreto. Básicamente, estas estrategias pueden clasificarse en los siguientes apartados:

Acabados y Recubrimientos

Para protecciones prolongadas, los sustratos de madera se suelen recubrir con diversas terminaciones decorativas y protectoras. Las pinturas opacas actúan como protectores eficaces de la radiación ultravioleta. Sin embargo, existe una demanda creciente de recubrimientos transparentes, lo que implica efectuar investigaciones que conduzcan a mejoras en sus propiedades protectoras.

Existen diversos tipos de recubrimientos para madera, entre los que se encuentran:

• Barnices alquídicos: Son los más comunes, de bajo costo, fácil aplicación y utilizan disolventes suaves. Su problema es que tienen poca resistencia a la radiación ultravioleta.
• Sistemas poliuretano: Generalmente de dos componentes.
• Recubrimientos acrílicos: Disponibles en composiciones con base de disolvente orgánico o con base acuosa.

Modificaciones Químicas

Las modificaciones químicas de la madera pueden prevenir la fotodegradación con o sin recubrimientos y parecen ser una opción útil para maderas expuestas al exterior. Entre estas opciones se encuentra la acetilación de los grupos hidroxilo de la lignina.

Tratamientos Superficiales con Aditivos

El uso de estos aditivos se dirige a filtrar la radiación y/o al control de las reacciones de fotooxidación. Pueden utilizarse:

• Agentes atrapadores de radicales, tales como antioxidantes sintéticos o extractos naturales de maderas duraderas.
• Absorbentes de radiación ultravioleta.

Los estabilizadores frente a la luz del tipo aminas impedidas (HALS) ayudan a evitar la fotooxidación de la lignina, atrapando los radicales libres. Las capas de recubrimientos superiores reducen la migración y evaporación de los aditivos, si bien es posible también el anclaje de los aditivos mediante enlaces covalentes con la superficie de la madera.

Concentración de Absorbentes UV

La mayoría de los absorbentes de UV son derivados de la benzofenona y del benzotriazol. La concentración de estos absorbentes en el material de recubrimiento se encuentra entre el 1-3 % en productos para interior y entre 1-5 % para exteriores, si bien este intervalo se reduce al 1-3 % si se usa una combinación de absorbente UV y HALS. Recientemente se han desarrollado también absorbentes UV más próximos al visible, derivados del tris-resorcinol-1,3,5-triazina.

Estabilización del Color

Esta estrategia se utiliza para aquellas aplicaciones en las que interesa mantener un color estable, aunque no sea el primitivo, mediante pretratamientos térmicos y fotoquímicos.

Protección Superficial con Absorbentes Inorgánicos UV

Los óxidos micronizados transparentes de titanio, cinc y otros nuevos que se están ensayando, así como el polvo de sílice, tienen propiedades estabilizadoras de maderas frente a la fotodegradación.